Nanostructured copper-phosphonate functionalized mesoporous silica for nonlinear optical applications
Loading...
DOI
Date
2025
Authors
El Houbbadi, Sara
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
W niniejszej pracy doktorskiej zbadano materiały oparte na strukturze krzemionki mezoporowatej SBA-15 funkcjonalizowanej grupami fosfonianu miedzi w różnych koncentracjach. Praca została poświęcona badaniom nad materiałem w postaci cienkich warstw jednak w celu wykonania dokładniejszej charakterystyki badany materiał został przygotowany również w postaci proszków. Taki podejście umożliwiło wykonanie szeroko zakrojonych badań i dokładnej charakterystyki otrzymanych nanokompozytów. W pracy ukazano również duży potencjał aplikacyjny opracowanych materiałów które mogą być w prosty sposób deponowane na różnorodnych powierzchniach za pomocą metody zanurzeniowej (ang. dip-coating).
W pierwszej części pracy przedstawiono charakterystykę otrzymanych materiałów potwierdzającą zgodność otrzymanych materiałów z założeniami syntezy. W szczególności potwierdzono skład pierwiastkowy wszystkich próbek za pomocą techniki EDS. Mapowanie z wykorzystaniem tej techniki ukazało jednorodność rozlokowania grup fosfonianu miedzi na powierzchni krzemionki. Kolejne wykorzystane techniki takie jak TEM, SAXS, GISAXS oraz izotermiczna sorpcja azotu pozwoliły na dokładne scharakteryzowanie uporządkowanej mezoporowatej struktury krzemionkowej pełniącej rolę nośnika grup funkcyjnych. Natomiast spektroskopia Ramana umożliwiła charakterystykę struktury molekularnej badanych układów.
W drugiej części pracy przedstawione zostały rezultaty badania za pomocą spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) wykonanego na linii ASTRA w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Zastosowane techniki XANES i EXAFS miały na celu umożliwienie przygotowania precyzyjnych modeli numerycznych odzwierciedlających strukturę molekularną badanych materiałów. Dlatego analiza ich wyników wsparta została symulacjami numerycznymi. Poprzez odpowiednie dobranie modeli numerycznych na podstawie wyników uzyskanych w tym badaniu możliwe było przeprowadzenie kolejnych etapów symulacji numerycznych mających na celu wyjaśnienie obserwowanych własności nieliniowo optycznych opracowanych materiałów.
Własności nieliniowo-optyczne obserwowane dla badanych w niniejszej pracy materiałów wykazują intrygującą zależność od koncentracji grup funkcyjnych i nie jest to zależność liniowa. Przeprowadzone badania wykazały, że za własności NLO odpowiedzialna jest nie tylko ilość grup fosfonianu miedzi ale również ich wzajemne oddziaływania, które świadczą o tym że materiał przedstawiony w niniejszej pracy można traktować jako materiał o dostrajalnych własnościach NLO.
In this doctoral thesis, materials based on the mesoporous silica structure SBA-15 functionalized with copper phosphonate groups at various concentrations were investigated. Although the research focused on thin-film materials, in order to perform a more comprehensive characterization, the studied material was also prepared in powder form. This approach enabled extensive studies and a detailed characterization of the obtained nanocomposites. The thesis also demonstrates the high application potential of the developed materials, which can be easily deposited onto a variety of surfaces using the dip-coating method. In the first part of the work, the characterization of the obtained materials confirmed their compliance with the synthesis assumptions. In particular, the elemental composition of all samples was confirmed using the EDS technique. Elemental mapping with this method revealed the homogeneous distribution of copper phosphonate groups on the silica surface. Further techniques such as TEM, SAXS, GISAXS, and nitrogen adsorption isotherms allowed for a detailed characterization of the ordered mesoporous silica structure serving as a carrier for the functional groups. Additionally, Raman spectroscopy enabled a preliminary characterization of the molecular structure of the studied systems. The second part of the thesis presents the results of X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements performed at the ASTRA beamline of the National Synchrotron Radiation Centre SOLARIS. The applied XANES and EXAFS techniques aimed to provide the basis for developing precise numerical models reflecting the molecular structure of the studied materials. Therefore, the analysis of their results was supported by numerical simulations. By selecting appropriate numerical models based on the outcomes of these measurements, it was possible to carry out subsequent stages of simulations designed to explain the observed nonlinear optical (NLO) properties of the developed materials. The nonlinear optical properties observed for the materials investigated in this work exhibit an intriguing dependence on the concentration of functional groups, which is not linear. The conducted studies showed that the NLO properties are determined not only by the amount of copper phosphonate groups but also by their mutual interactions. These findings indicate that the material presented in this thesis can be regarded as a system with tunable NLO properties.
In this doctoral thesis, materials based on the mesoporous silica structure SBA-15 functionalized with copper phosphonate groups at various concentrations were investigated. Although the research focused on thin-film materials, in order to perform a more comprehensive characterization, the studied material was also prepared in powder form. This approach enabled extensive studies and a detailed characterization of the obtained nanocomposites. The thesis also demonstrates the high application potential of the developed materials, which can be easily deposited onto a variety of surfaces using the dip-coating method. In the first part of the work, the characterization of the obtained materials confirmed their compliance with the synthesis assumptions. In particular, the elemental composition of all samples was confirmed using the EDS technique. Elemental mapping with this method revealed the homogeneous distribution of copper phosphonate groups on the silica surface. Further techniques such as TEM, SAXS, GISAXS, and nitrogen adsorption isotherms allowed for a detailed characterization of the ordered mesoporous silica structure serving as a carrier for the functional groups. Additionally, Raman spectroscopy enabled a preliminary characterization of the molecular structure of the studied systems. The second part of the thesis presents the results of X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements performed at the ASTRA beamline of the National Synchrotron Radiation Centre SOLARIS. The applied XANES and EXAFS techniques aimed to provide the basis for developing precise numerical models reflecting the molecular structure of the studied materials. Therefore, the analysis of their results was supported by numerical simulations. By selecting appropriate numerical models based on the outcomes of these measurements, it was possible to carry out subsequent stages of simulations designed to explain the observed nonlinear optical (NLO) properties of the developed materials. The nonlinear optical properties observed for the materials investigated in this work exhibit an intriguing dependence on the concentration of functional groups, which is not linear. The conducted studies showed that the NLO properties are determined not only by the amount of copper phosphonate groups but also by their mutual interactions. These findings indicate that the material presented in this thesis can be regarded as a system with tunable NLO properties.
Description
The National Science Centre funded this work as part of the SONATA-19 (Grant-No: 2021/43/D/ST8/00737) project entitled “Novel bioactive
composite coatings based on silica nanostructures for biological and environmental applications” led by Dr. hab. Magdalena Laskowska.
The work was done in collaboration with SOLARIS National Synchrotron Radiation Centre, where the X-ray absorption spectroscopy (XAS) study was
conducted at ASTRA beamline (Absorption Spectroscopy beamline for Tender energy Range and Above) under the supervision of Dr. Alexey Maximenko. Research at the National Synchrotron Radiation Centre SOLARIS is supported by the Ministry of Science and Higher Education, Poland, under contract no. 1/SOL/2021/2.
The computational part of this work was performed at Poznan Supercomputing and Networking Center - PCSS under computational grant ID 579.
I am grateful to the Polish National Agency for Academic Exchange NAWA for the financial support under the Programme STER– Internationalisation of
Doctoral Schools, Project No. PPI/STE/2020/1/00020.
Keywords
Citation
Sponsorship:
Narodowe Centrum Nauki; Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego; NAWA - Program STER
Grantnumber:
2021/43/D/ST8/00737; 1/SOL/2021/2; ID 579; PPI/STE/2020/1/00020
License Type
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International